DE2903688C3 - Capacity difference meter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kapazitätsdifferenz-Messer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
Kapazitätsdifferenz-Messer dienen u. a. zum Bestimmen der Kapazität oder des Abstandes zwischen den
Platten eines Kondensators.The invention relates to a capacitance difference meter according to the preamble of claim 1.
Capacitance difference meters are used, among other things, to determine the capacitance or the distance between the plates of a capacitor.
Bei einem herkömmlichen Kapazitätsdifferenz-Messer der eingangs genannten Art (vergleiche z. B. DE-OS 27 23 244) wird die Kapazität gemessen, indem eine zeitveränderliche Spannung, wie z.B. ein Dreieck-Signal oder ein Sägezahn-Signal, an die Kondensatorplatten gelegt wird. Der sich ergebende Strom durch den Kondensator dient dann als Maß für die Kapazität oder den Abstand zwischen den Platten des Kondensators. Da sich jedoch die Kapazität eines Kondensators umgekehrt proportional zur Entfernung oder zum Abstand zwischen den Platten ändert, führt eine Veränderung in diesem Abstand zu Nichtlinearitäten im Ausgangsstrom, die unter bestimmten Umständen beim Einsatz des Kapazitätsdifferenz-Messers bedeutsam sein können. Zum Beispiel bewirkt eine Veränderung im Abstand von 10% eine Nichtlinearität über 1%, eine Veränderung im Abstand von 20% eine Nichtlinearität über 4% und eine Veränderung im Abstand von 56% eine Nichtlinearität von 30%. Da weiterhin der Ausgangsstrom des Kondensators bei sehr kleinem Abstand groß wird, können beträchtlliche Stabilitätsprobleme auftreten, wenn der Kondensator als Lagefühler in einer Servo-Vorrichtung eingesetzt wird. Kapazitätsdifferenz-Messer werden in zahlreichen Ausrüstungen eingesetzt wie z. B. in Wandlern und in Beschleunigungsmessern, und in bestimmten hochempfindlichen Instrumenten, wie z. B. Servo-Beschleunigungsmessern und -Wandlern, in denen Nichtlinearitäten auf Grund merklicher Veränderungen im Kondensator-Abstand eine bedeutende Fehlerquelle sein können.In a conventional capacitance difference meter of the type mentioned (see e.g. DE-OS 27 23 244), the capacitance is measured by applying a time-variable voltage, such as a triangle signal or a sawtooth signal, to the capacitor plates . The resulting current through the capacitor then serves as a measure of the capacitance or the distance between the plates of the capacitor. However, since the capacitance of a capacitor changes inversely proportional to the distance or the distance between the plates, a change in this distance leads to non-linearities in the output current, which under certain circumstances can be significant when using the capacitance difference meter. For example, a change at a distance of 10% results in a non-linearity of more than 1%, a change at a distance of 20% results in a non-linearity of more than 4%, and a change at a distance of 56% results in a non-linearity of 30%. Furthermore, since the output current of the capacitor becomes large at a very small distance, considerable stability problems can arise when the capacitor is used as a position sensor in a servo device. Capacity difference meters are used in a wide range of equipment such as In transducers and in accelerometers, and in certain highly sensitive instruments such as e.g. B. Servo accelerometers and transducers where nonlinearities due to noticeable changes in capacitor spacing can be a significant source of error.
Zusätzlich sind die herkömmlichen Kapazitätsdifferenz-Messer in der Praxis im Betrieb auf eine Informationsbandbreite kleiner als die Hälfte der Trägerfrequenz oder der zeitveränderlichen Spannung an den Kondensatorplatten begrenzt Da Operationsverstärker in den «neisten Fällen in den Kapazitätsdifferenz-Messern verwendet werden, sollte die Trägerfrequenz im allgemeinen 20 kHz oder weniger betragen.In addition, the conventional capacitance difference meters are in practice on one Information bandwidth less than half the carrier frequency or the time-varying voltage limited to the capacitor plates. Operational amplifiers are in most cases in the capacitance difference meters are used, the carrier frequency should generally be 20 kHz or less.
Es ist'daher Aufgabe der Erfindung, einen Kapazitätsdifferenz-Messer anzugeben, der Nichtlinearitäten auf Grund Änderungen im Abstand oder in der Entfernung zwischen den Kondensatorplatten ausschließen kann.It is therefore the object of the invention to provide a capacitance difference meter indicate the non-linearities due to changes in spacing or distance can exclude between the capacitor plates.
Diese Aufgabe wird bei einem Kapazitätsdifferenz-Messer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Kapazitätsdifferenz-Messer ist also ein Bezügsströmgenefätör vorgesehen, Um
ein Rechtecksignal an den ersten und zweiten Kondensator bzw. an jeden Kondensator zu legen, und
die sich ergebende Spannung am Kondensator liegt an einem Festkondensator. Der Strom durch den Festkonto
densator kann dann als Maß für die Kapazität oder den Abstand zwischen den Kondensatorplatten verwendet
werden.
Beim erfindungsgemäßen Kapazitätsdifferenz-Mes-This object is achieved according to the invention in a capacitance difference meter according to the preamble of claim 1 by the features specified in the characterizing part thereof.
In the capacitance difference meter according to the invention, a reference flow generator is provided to apply a square-wave signal to the first and second capacitors or to each capacitor, and the resulting voltage on the capacitor is applied to a fixed capacitor. The current through the fixed-account capacitor can then be used as a measure of the capacitance or the distance between the capacitor plates.
With the capacitance difference measurement according to the invention
ser legt somit der Bezugsstromgenerator ein Rechteckwellensignal an jeden der Kondensatoren, und die sich ergebenden Dreieck-Spannungen an jedem der Kondensatoren werden über einen Verstärker einem entsprechenden Festkondensator zugeführt Stromspiegel sind mit jedem der Verstärker verbunden und geben einen Strom an einen Umsetzer ab, der gleichwertig dem durch jeden der Festkondensatoren fließenden Strom istThus, the reference current generator applies a square wave signal to each of the capacitors, and which itself resulting triangular voltages on each of the capacitors are an amplifier corresponding fixed capacitor fed current mirrors are connected to each of the amplifiers and give a current to a converter which is equivalent to that flowing through each of the fixed capacitors Electricity is
Die Erfindung sieht also einen Kapazitätsdifferenz-Messer vor, bei dem ein Bezugsstromgenerator ein Rechtecksignal zu einem Kondensator speist, und die sich ergebende Spannung am Kondensator wird dann einem Festkondensator zugeführt Der entstehende Festkondensator-Strom bildet ein Maß für die Kapazität des Kondensators. Ein Kapazitätsdifferenz-Messer entsteht indem der Bezugsstrom jedem Kondensator zugeführt und ein Festkondensator für jeden Kondensator vorgesehen wird. Die sich ergebenden Festkondensator-Ströme werden vereinigt und der sich ergebende Differenzstrom dient als Maß für die Differenz der Kapazität oder die Differenz in dei« Abständen zwischen den Platten der KondensatoreaThe invention thus provides a capacity difference meter in which a reference current generator is a Square wave signal is fed to a capacitor, and the resulting voltage across the capacitor is then fed to a fixed capacitor The resulting fixed capacitor current is a measure of the capacitance of the capacitor. A capacity difference meter is created by supplying the reference current to each capacitor and providing a fixed capacitor for each capacitor. The resulting fixed capacitor currents are combined and the resulting one Differential current serves as a measure for the difference in capacity or the difference in the intervals between the plates of the condensers a
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the drawing, for example
F i g. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Kapazitätsdifferenz-Messers undF i g. 1 shows a block diagram of the capacitance difference meter according to the invention and
Fig.2 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Schaltung der F ig. 1.2 shows a timing diagram to explain the Circuit of fig. 1.
In F i g. 1 ist ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kapazitätsdifferenz-Messers gezeigt wobei Kondensatoren Cp ι und Cp2 als Lagefühler in einer Anzahl verschiedenartiger Ausrüstungen einschließlich Wandlern, Beschleunigungsmessern u.dgl. verwendbar sind. Wie in F i g. 1 gezeigt ist speist ein insbesondere durch einen Taktgeber 12 gesteuerter Bezugsstromgenerator 10 einen Rechteckwellenstrom konstanter Amplitude zu den Kondensatoren Cp \ und Cpi über eine Leitung 14 bzw. 16. Eine vorzugsweise Rechteckwelle mit Amplituden gleicher, aber entgegengesetzter Polaritäten ist durch ein Signal 18 in Fig.2 gezeigt Es sei darauf hingewiesen, daß ein symmetrischer Bezugsstrom der vorzugsweise an die Kondensatoren Cp1 und Cp2 abzugebende Strom ist; wie jedoch weiter unten näher erläutert wird, ist es nicht immer erforderlich, für einen genauen Betrieb des in F i g. 1 gezeigten Messers einen symmetrischen Bezugsstrom zu haben.In Fig. 1 shows a block diagram of a preferred exemplary embodiment of the capacitance difference meter according to the invention, capacitors Cp ι and Cp2 being usable as position sensors in a number of different pieces of equipment including converters, accelerometers and the like. As in Fig. 1, a reference current generator 10 controlled in particular by a clock generator 12 feeds a square wave current of constant amplitude to the capacitors Cp \ and Cpi via a line 14 and 16, respectively. It should be noted that a symmetrical reference current is the current preferably to be delivered to capacitors Cp 1 and Cp 2; however, as will be explained in more detail below, it is not always necessary for accurate operation of the FIG. 1 to have a symmetrical reference current.
Die Bezugsströme Ir\ und Ir-i fließen durch die Kondensatoren Cp \ und Cp2 nach Masse (vgl. das Bezugszeichen 20). Wie durch ein Signal 22 in F i g. 2 gezeigt ist sind die Spannungen Vc an den Kondensatoren Cpi und Cp2 dreieckförmig. Diese Spannungen werden dann mittels Leitungen 24 und 26 an zwei Spannungs-Folgeglieder hoher Eingangsimpedanz; abgegeben, wie z.B. an Verstärker 28 und 30. Die Verstärker 28 und 30 legen die Kondensator-Spannungen an zwei Festkondensatoren CF\ und CV2 über eine Leitung 32 bzw. 34. Die sich ergebenden Ströme Io ι und Ich durch die Festkondensatoren Oi und Oj sind durch ein Signal 36 in Fig.2 gezeigt Wie dem Signal 36 entnommen werden kann, ist der sich ergebende Strom durch die Festkondensatoren Cf\ und CF2 im wesentlichen eine Rechteckwelle, wobei die Amplitude dieses Stromes die Kapazität oder den Abstand zwischen den Platten der Kondensatoren Cp ι und Cp2 darstellt. The reference currents Ir \ and Ir-i flow through the capacitors Cp \ and Cp 2 to ground (cf. reference number 20). As indicated by a signal 22 in FIG. As shown in Fig. 2, the voltages Vc across capacitors Cpi and Cp2 are triangular. These voltages are then by means of lines 24 and 26 to two voltage followers of high input impedance; output, such as to amplifiers 28 and 30. The amplifiers 28 and 30 apply the capacitor voltages to two fixed capacitors C F \ and CV 2 via a line 32 and 34, respectively. The resulting currents Io ι and Ich through the fixed capacitors Oi and Oj are shown by a signal 36 in Figure 2. As can be seen from signal 36, the resulting current through fixed capacitors Cf 1 and C F2 is essentially a square wave, the amplitude of this current being the capacitance or the distance between the plates of the capacitors Cp ι and Cp 2 represents.
Über Leitungen 36 und 40 ist mit jedem der Spannungsverstärker 28 und 30 ein Stromspiegel 42A current mirror 42 is connected to each of the voltage amplifiers 28 and 30 via lines 36 and 40 bzw, 44 verbunden. Die Stromspiegel 42 und 44 bilden zusätzlich zu einer Stromquelle für die Verstärker 28 und 30 eine Stromquelle für Ströme fo\' bzw. Ιοί' in einer Leitung 46 bzw, 48, wobei diese Ströme Io\' undor 44 connected. The current mirrors 42 and 44 form, in addition to a current source for the amplifiers 28 and 30, a current source for currents fo ' and Ιοί' in a line 46 and 48, respectively, these currents Io ' and Ιοί' jeweils mit den durch die Festkondensatoren CF\' und Cf2' fließenden Ströme Jo \ und Im gleich sind oder zu diesen in einer funktionellen Beziehung stehen. Bei dem in F i g. 1 gezeigten Kapazitätsdifferenz-Messer wird der in der Leitung 48 fließende Strom durch einen Ιοί 'are each equal to the currents Jo \ and Im flowing through the fixed capacitors C F \' and Cf 2 'or have a functional relationship to them. In the case of the FIG. 1, the capacitance difference meter shown, the current flowing in the line 48 through a
to Stromumkehrer 50 so umgekehrt, daß seine Polarität entgegengesetzt zur Polarität des in der Leitung 48 fließenden Stromes /02' ist Der Ausgangsstrom Io\ in der Leitung 46 und der umgekehrte Ausgangsstrom I02 vom Umkehrer 50 werden dann an einer aus einemto current reverser 50 reversed so that its polarity opposite to the polarity of the current flowing in the line 48 stream / 02 ', the output current Io \ in line 46 and the inverted output current I02 will be from inverter 50 then to one of a Knotenpunkt bestehenden Summiereinrichtung 52 vereinigt und an einen Umsetzer 54 abgegeben. Der Umsetzer 54 erzeugt ein Signal Vo an einem Ausgangsanschluß 56, das die Differenz in der mittleren Amplitude der Ströme Io 1 und I01 durch die FestkonNode existing summing device 52 combined and given to a converter 54. The converter 54 generates a signal Vo at an output terminal 56 which is the difference in the mean amplitude of the currents Io 1 and I01 through the Festkon densatoren Cf 1 und Cf2 darstellt 7Venn die Kapazitäten der Kondensatoren Cpi und Cp2 gleich sind und angenommen wird, daß die übrigen Bauteile der Schaltung der F i g. 1 gleich sind, wie z. B. Cn = CFi, Ir 1 = Iri, was auch für die Verstärkungsfaktoren dercapacitors Cf 1 and Cf2 represents 7 Vif the capacitances of the capacitors Cpi and Cp2 are equal and it is assumed that the other components of the circuit of FIG. 1 are the same, such as B. Cn = C F i, Ir 1 = Iri, which also applies to the gain factors of the Verstärker 28 und 30 gilt dann hat das Ausgangssignal Vbdes Umsetzers den Wert Null. Wenn die Kapazitäten der Kondensatoren Cpi und Cp2 auf Grund z. B. einer Differenz in den Abständen der Kondensatoren nicht gleich sind, gibt das Ausgangssignal Vb diese DifferenzAmplifiers 28 and 30 then the output signal Vb of the converter has the value zero. If the capacities of the capacitors Cpi and Cp 2 due to z. B. are not equal to a difference in the spacing of the capacitors, the output signal Vb gives this difference als eine lineare Funktion des Unterschiedes in den Abständen zurück. Der Umsetzer 54 kann ein herkömmlicher Demodulator sein, einschließlich eines Halbwellen-, Ganzwellen- oder Synchron-Demodulators.as a linear function of the difference in the distances. The converter 54 can be a be a conventional demodulator, including a half-wave, full-wave or synchronous demodulator.
Der Betrieb des Kapazitätsdifferenz-Messers und insbesondere die lineare Beziehung zwischen dem Abstand oder der Entfernung zwischen den Kapazitätsdifferenz-Messer-Kondensatorplatten and dem Ausgangssignal werden im folgenden diskutiert DieThe operation of the capacitance difference meter and in particular the linear relationship between the The spacing or distance between the capacitance-difference-knife-capacitor plates and the output signal is discussed below Gleichung (1) beschreibt die Grundbeziehung zwischen Jer Änderung in der Kondensator-Spannung und dem Bezugsstrom Ir sowie der Kapazität des Kondensators Cp-. Equation (1) describes the basic relationship between Jer change in capacitor voltage and the reference current Ir and the capacitance of the capacitor Cp-.
dVc
~dT dV c
~ dT
so einer Dreieckwellen-Spannung am Kondensator Cp mitsuch a triangular wave voltage across the capacitor Cp der Neigung:the slope:
di Cp ' di Cp '
Da die Kapazität eines Plattenkondensätors gegeben ist durch:Given the capacity of a plate condenser is through:
Mit εο = Dielektrizitätskonstante, A = Plattenfläche und D = Plattenabstand,With εο = dielectric constant, A = plate area and D = plate spacing,
gilt die folgende Beziehung:the following relationship applies:
df D >nA df D> n A
Wenn dann das Spannungssignal -^y an die Festkondensatoren Cf gelegt wird, entstehen Lade/Entlade-Ströme /omit den folgenden Eigenschaften:If the voltage signal - ^ y is then applied to the fixed capacitors Cf , charge / discharge currents / om with the following properties arise:
i,„ = G i, " = G
/„,D,/ ", D,
Cf C f
Wenn daher für die Kapazitäten Cf \ = Cp2, für die Ströme/«i = Ir2 und für die Flächen A\ = A2 gilt, liegt die folgende Beziehung für die Schaltung der F i g. 1 vor: Therefore, if Cf \ = Cp 2 for the capacitances , / «i = Ir 2 for the currents and A \ = A 2 for the areas, the following relationship applies to the circuit of FIG. 1 before:
Wie aus Gleichung (5) gefolgert werden kann, ist der Ausgangsstrom Io direkt proportional zum Abstand zwischen den Kondensatorplatten der Kondensatoren Cn wie dies durch das Signal 36 in F i g. 2 gezeigt ist. Damit ist im Kapazitätsdifferenz-Messer der Fig. 1 die Änderung in den Ausgangsströmen ln\ und Ia2 direkt proportional zu jeder Änderung im Abstand zwischen den Kondensatorplatten in den Kondensatoren Cp 1 oder Cp2. As can be inferred from equation (5), the output current Io is directly proportional to the distance between the capacitor plates of the capacitors Cn as indicated by the signal 36 in FIG. 2 is shown. Thus, in the capacitance difference meter of FIG. 1, the change in the output currents In 1 and I a 2 is directly proportional to every change in the distance between the capacitor plates in the capacitors Cp 1 or Cp 2 .
Der Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Kapazitätsdifferenz-Messers kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden:The operation of the capacitance difference meter shown in FIG can be described by the following equation:
I no = -''-(D1-D2). I no = - "- (D 1 -D 2 ).
Damit ist der Differenzstrom /O0 gleich der Differenz in den Abständen der Kondensatoren Cp\ und Cp2, wobei die Polarität des Signals anzeigt, welcher Kondensator den größeren Abstand aufweist, was zu einem bipolaren Betrieb des Kapazitätsdifferenz-Messers führt. The difference current / O0 is thus equal to the difference in the distances between the capacitors Cp \ and Cp 2 , the polarity of the signal indicating which capacitor has the greater distance, which leads to bipolar operation of the capacitance difference meter.
ι ·, Wie oben erläutert wurde, sind die bevorzugten Bezugsströme Ir \ und Ir2 Rechteckwellen mit gleichen Amplituden; dies ist aber für einen wirksamen Betrieb des Kapazitätsdifferenz-Messers nicht erforderlich. Ein Rechteckwellen-Bezugsstrom wird in der Praxis bevor- >n zugt, um die Kondensatorspannungen V1 innerhalb der Versorgungsspannungsgrenzen der Schaltung einschließlich der Verstärker 28 und 30 /u halten.As explained above, the preferred reference currents Ir \ and Ir2 are square waves with the same amplitudes; however, this is not necessary for effective operation of the capacity difference meter. A square wave reference current is preferred in practice to keep the capacitor voltages V 1 within the supply voltage limits of the circuit including amplifiers 28 and 30 / u.
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